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DEFORM AÇÃO PLÁSTICA: DEFORMAÇÃO E TAXA DE DEFORMAÇÃO

• O objetivo de se aplicar a teoria da plasticidade em conformação dos metais é investigar os mecanismos de deformação plástica nos processos de conformação dos metais. Esta investigação permite a análise e previsão de: fluxo metálico (velocidade, deformação, taxa de deformação), temperaturas e transferência de calor,

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variações locais de resistência do material ou da tensão de escoamento e

tensões, carga de conformação, pressão e energia.

Portanto, os mecanismos de deformação fornecem os meios para determinação de como o metal flui, como a geometria desejada pode ser obtida pela deformação plástica e quais são as propriedades mecânicas esperadas do componente produzido por conformação.

A fim de que se possa chegar à descrição matemática manuseável da deformação do metal, várias simplificações (razoáveis) são assumidas: 

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Deformações elásticas são negligenciadas. No entanto, quando necessário, recuperação elástica (por exemplo no caso do efeito de mola em dobramento) e deflexão elástica da ferramenta (no caso de conformação de precisão com tolerâncias apertadas) devem ser consideradas.

O material em deformação é considerado contínuo (aspectos metalúrgicos como grãos, contornos de grão e dislocações não são considerados).

Dados de testes de tração e compressão uniaxial são correlacionados com tensão de escoamento em condições de tensão multiaxial.

Anisotropia e efeitos de “ Bauschinger” são negligenciados.

O volume permanece constante.

O atrito é expresso através de expressões simplificadas tais como lei de Coulomb ou tensão de cisalhamento constante. Isto será discutido em maiores. Deformações locais e campo de velocidades

O deslocamento local de elementos de volume é descrito por um campo de velocidades, isto é, velocidades, taxa de deformação e deformação. Para simplificar a análise frequetemente assume-se que o campo de velocidades é independente das propriedades do material.

Obviamente, isto não é correcto. Se um grande gradiente de deformação ou temperatura estiver presente, o material não fluirá exatamente da mesma forma que outro estritamente homogêneo fluiria. As porções mais moles - onde, por exemplo, a temperatura é maior do que em outras partes da zona de deformação - fluirão • mais facilmente do que o restante do material na zona de deformação.

Num estado de fluxo estável (cinamaticamente), o campo de velocidades permanece imutável, como no caso do processo de extrusão num estado de fluxo não estável, o campo de velocidades muda continuamente com o tempo, como no caso de forjamento Deformação

Para se estudar o fluxo de metal quantitativamente, é necessário definir a deformação, taxa de deformação e velocidades (ou deslocamente por unidade de tempo).

A deformação de um bloco retangular infitesimal, abcd, em um paralelogramo, a’b’c’d’, após uma pequena quantidade de deformação plástica.

Podemos ver que a imagem é visualizada em duas dimensões, os mesmos princípios se aplicam em casos tridimensionais (3-1, 3-2) .

As coordenadas de um ponto são incialmente x e y (e z em três dimensões ).

Após uma pequena deformação, o mesmo ponto adquiri as coordenadas x’ e y’ (a z’ em três dimensões). Desprezando-se os componentes de ordem superior pode-se determinar a magnitude do deslocamento do ponto b, ubx como função do deslocamento do ponto a. Este valor , ubx, é diferente do deslocamento do ponto a, ux , sobre a variação da função ux sobre o comprimento dx, ou seja:

Note que ux depende também de y e z. O alongamento relativo do comprimento ab (o qual é originalmente igual a dx), ou a deformação relativa na direção x, ε x , torna-se: ε x = (u bx – u x ) /dx − ou então Velocidades e taxa de deformação

• A distribuição das componentes de velocidade (vx , vy e vz ) dentro do material em deformação descreve o fluxo de metal neste material. A velocidade é a variação do deslocamento no tempo, ou, nas direções x, y e z • O estado de deformação na deformação plástica de metais é completamente descrito pelos deslocamentos u, velocidades v, deformações ε taxas de deformações ε (num sistema de coordenadas x, y e z). É possível, no entanto, expressar os mesmos valores num outro sistema de coordenadas x’, y’, z’ se o ângulo de rotação entre ambos for conhecido.

• Portanto, em cada pequeno elemento dentro de um corpo sendo deformado plasticamente, é possível orientar o sistema de coordenadas de modo que o elemento não esteja submetido a cisalhamento, mas somente à compressão ou cisalhamento. Neste caso, as deformações angulares, serão todas iguais a zero e o elemento se deforma ao longo dos eixos principais de deformação. Em testes de tração e compressão uniaxial (sem estricção ou flambagem), deformação é também nas direções principais. propriedades dos materiais

• Inocentemente em algum momento de nossa vida, já conformamos um metal.

como isso foi feito?

É simples. Ao dobrar um pedaço de arame, um fio de cobre, ou um pedaço de metal qualquer, ao martelar um prego, você aplicou esforços sobre o material e, desse esforço, resultou uma mudança de forma. Conformação mecânica: é qualquer operação durante a qual se aplicam esforços mecânicos em metais, que resultam em uma mudança permanente em suas dimensões. Para a produção de peças de metal, a conformação mecânica inclui um grande número de processos:

 laminação,  forjamento,  trefilação,  extrusão,  Estampagem Esses processos têm em comum o facto de que, para a produção da peça,

algum esforço do tipo compressão, tração, dobramento, tem que ser

aplicado sobre o material. Os materiais tão rígidos como o aço, ou o ferro, podem ser comprimidos, puxados e dobrados para adquirirem os formatos que o produto necessita por causa das propriedades desses materiais, tais como:

 propriedades mecânicas (elasticidade e plasticidade).

- elasticidade: é a capacidade que o material tem de se deformar, se um esforço é aplicado sobre ele, e de voltar à forma anterior quando o esforço pára de existir.

- A plasticidade permite que o material se deforme e mantenha essa deformação, se for submetido a um esforço de intensidade maior e mais prolongada.

Essas duas propriedades são as que permitem a existência dos processos de conformação mecânica, tendo em conta o auxilio do reticulado cristalino dos metais, que está associado ao modo como os átomos dos metais estão agrupados. Os materiais que têm estrutura cúbica de face centrada, têm uma forma de agrupamento atômico que permite o deslocamento de camadas de átomos sobre outras camadas.

Por isso, eles se deformam mais facilmente do que os que apresentam os outros tipos de arranjos. Isso acontece porque, nessa estrutura, os planos de escorregamento permitem que camadas de átomos escorreguem umas sobre as outras com mais facilidade. • Como exemplo de metais que apresentam esse tipo de estrutura após a solidificação, temos o cobre e o alumínio. Por isso, esses metais são mais fáceis de serem trabalhados por conformação mecânica.

• A prova disso é que o alumínio pode ser laminado até a espessura de uma folha de papel. Esse é o caso daqueles rolos de folhas de papel-alumínio que você compra no supermercado. Conformação por laminação

• A laminação: é um processo de conformação mecânica pelo qual um lingote de metal é forçado a passar por entre dois cilindros que giram em sentidos opostos, com a mesma velocidade.

• Assim consegue-se a redução da espessura do metal a cada passe de laminação, como é tida em cada passagem do metal pelos cilindros de laminação.

• Lingote:é uma massa de metal ou de um material condutor, que após ter sido aquecida a uma temperatura superior ao seu ponto de fusão, é vertida num molde. • Ao passar entre os cilindros, o material sofre deformação plástica.

• Por causa disso, ele tem uma redução da espessura e um aumento na largura e no comprimento.

• Como a largura é limitada pelo tamanho dos cilindros, o aumento do comprimento é sempre maior do que o da largura. • A laminação pode ser feita a quente ou a frio.  é feita a quente quando o material a ser

conformado é difícil de laminar



a frio ou quando necessita de grandes reduções de espessura.

Assim, o aço, quando necessita de grandes reduções, é sempre laminado a quente porque, quando aquecido, sua estrutura cristalina apresenta a configuração cúbica que, como já vimos, se presta melhor à laminação.

Além disso, nesse tipo de estrutura, as forças de coesão são menores, o que também facilita a deformação • Encruamento é o resultado de uma mudança na estrutura do metal, associada a uma deformação permanente dos grãos do material, quando este é submetido à deformação a frio.

• O encruamento aumenta a dureza e a resistência mecânica.

• A laminação a frio se aplica a metais de fácil conformação em temperatura ambiente, o que é mais econômico. É o caso do cobre, do alumínio e de algumas de suas ligas. • A laminação a frio também pode ser feita mesmo em metais cuja resistência à deformação é maior. São passes rápidos e brandos cuja finalidade é obter maior precisão nas dimensões das chapas.

• Em alguns casos, a dureza e a resistência do material melhoram já que, nesse caso, ele fica “encruado”. Quando se necessita de precisão dimensional e ductilidade, a chapa laminada a frio passa por um tratamento térmico chamado recozimento. • Sendo a quente ou a frio, a laminação parte dos lingotes que, passando pelos laminadores, pode se transformar em produtos de uso imediato como trilhos, vigas e perfis. Pode se transformar também em produtos intermediários que serão usados em outros processos de conformação mecânica. É o caso de tarugos que passarão por forjamento, extrusão e trefilação e das chapas que serão estampadas para a fabricação de automóveis, ônibus, fogões, geladeiras • A laminação é composta por um sectormuito abragentge, é organizado de tal modo que a produção é seriada e os equipamentos são dispostos de acordo com a sequência de operações de produção, na qual os lingotes entram e, ao saírem, já estão com o formato final desejado seja como produto final, seja como produto intermediário.

• As instalações de uma laminação são compostas por fornos de aquecimento e reaquecimento de lingotes, placas e pregos, sistemas de roletes para deslocar os produtos, mesas de elevação e basculamento, tesouras de corte e, principalmente, o laminador. O laminador é um conjunto mecânico bem parecido com a máquina de pastelaria.

É composto de:

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cadeira - é o laminador propriamente dito e que contém a gaiola, os cilindros e os acessórios.

gaiola - estrutura que sustenta os cilindros.

Os cilindros são as peças-chave dos laminadores, porque são eles que aplicam os esforços para deformar o metal. Eles podem ser fundidos ou forjados • são fabricados em ferro fundido ou aço especial, dependendo das condições de trabalho a que eles são submetidos.

• Podem ser lisos, para a produção de placas e chapas, ou com canais, para a produção de perfis. • Os laminadores podem ser montados isoladamente ou em grupos, formando uma sequência de vários laminadores em série. Esse conjunto recebe o nome de comboio de laminação.

Junto a esse conjunto, trabalham os  equipamentos auxiliares, ou seja, os empurradores,

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as mesas transportadoras,

as tesouras, as mesas de elevação Os laminadores podem ser classificados quanto ao número de cilindros que eles apresentam. Assim temos:

Duo - composto de dois cilindros de mesmo diâmetro, que giram em sentidos opostos, na mesma velocidade. • rio - três cilindros dispostos uns sobre os outros. Quando o material passa pela primeira vez, ele passa entre o cilindro inferior e médio. Quando ele retorna, passa pelo cilindro médio e superior. • Quádruo - apresenta quatro cilindros: dois internos (de trabalho) e dois externos (de apoio).

Universal - apresenta quatro cilindros combinados: dois horizontais e dois verticais. Ele é utilizado para a laminação de trilhos. • Sendzimir - apresenta seis cilindros dos quais dois são de trabalho e quatro são de apoio.

• • A laminação nunca é feita de uma só vez. Assim como o pasteleiro passa a massa pela máquina várias vezes até que ela tenha a espessura desejada, o metal também é passado diversas vezes pelo laminador a fim de que o perfil ou a chapa adquiram ou o formato, ou a espessura adequada para o próximo uso.

Nessas passagens, você obtém inicialmente a laminação de desbaste, cuja função é transformar os lingotes de metal em produtos intermediários ou semiacabados como blocos, placas e pregos. Esses produtos passam depois pelos laminadores acabadores onde são transformados em produtos acabados como perfilados, trilhos, chapas, tiras. Laminando um produto plano

Como já dissemos, para obter um produto laminado, ele tem que passar diversas

vezes pelos laminadores. Na verdade, esse processo tem várias etapas, porque além da passagem pelos cilindros, algumas coisas vão acontecendo à medida que o produto vai sendo laminado. Essas etapas são, em geral, as seguintes:

1. O lingote, pré-aquecido em fornos especiais, passa pelo laminador de desbaste e se transforma em placas.

2. A placa é reaquecida e passa então por um laminador que quebra a camada de óxido que se formou no aquecimento. Nessa operação usa-se também jato de água de alta pressão.

3. Por meio de transportadores de roletes, a placa é levada a um outro laminador que diminui a espessura e também aumenta a largura da placa original. Na saída dessa etapa, a chapa também passa por um dispositivo que achata suas bordas e por uma tesoura de corte a quente. 4. Finalmente, a placa é encaminhada para o conjunto de laminadores acabadores, que pode ser formado de seis laminadores quádruos. Nessa etapa ela sofre reduções sucessivas, até atingir a espessura desejada e se transformar finalmente em uma chapa.

5. Quando sai da última cadeira acabadora, a chapa é enrolada em bobina por meio de bobinadeiras. • Para a obtenção de espessuras ainda menores, a laminação prossegue, porém a frio. Para isso, as bobinas passam por um processo de limpeza da superfície chamado de decapagem.

• Após a laminação a frio, que dá à superfície da chapa um acabamento melhor, ela é rebobinada.

• A bobina resultante passa por um processo de tratamento térmico que produz a recristalização do material e anula o encruamento ocorrido durante a deformação a frio.

• Além da grande variedade de produtos de aço que se pode fabricar por laminação, esse processo de conformação mecânica também é aplicável ao cobre e suas ligas, ao alumínio e sua ligas, à borracha e ao papel. Características e defeitos dos produtos laminados

• Cada produto industrial tem características que o diferenciam dos outros. Não é diferente com relação aos produtos laminados. Por exemplo, as formas desses produtos são muito simples: barras, perfis, chapas. Seu comprimento é sempre muito maior que sua largura e, na maioria dos casos, as espessuras também são reduzidas.

• Os produtos laminados são empregados tanto na construção civil (casas, apartamentos, prédios industriais, pontes, viadutos), quanto na indústria mecânica, na usinagem para a produção em série de grandes quantidades de peças como parafusos, brocas, pinos, eixos, barras de seções diversas e chapas trabalhadas (furadas, cortadas, fresadas, retificadas).

• Em geral, o formato adequado do produto laminado, próximo do produto final usinado, aumenta muito a produtividade dos sectores de usinagem. • Além das características, os produtos laminados apresentam defeitos que, geralmente, originam dos defeitos de fabricação do próprio lingote. Assim, os defeitos mais comuns dos produtos laminados são:

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• Vazios - podem ter origem nos rechupes ou nos gases retidos durante a solidificação do lingote. Eles causam tanto defeitos de superfície quanto enfraquecimento da resistência mecânica do produto.

• Rechupes: são marcas na superfície da peça causadas pela falta de material plástico na cavidade.

• Gotas frias - são respingos de metal que se solidificam nas paredes da lingoteira durante o vazamento. Posteriormente, eles se agregam ao lingote e permanecem no material até o produto acabado na forma de defeitos na sua superfície.

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• Trincas - aparecem no próprio lingote ou durante as operações de redução que acontecem em temperaturas inadequadas. Extrusão

• Assim como a laminação, a extrusão é um processo de fabricação de produtos semiacabados, ou seja, produtos que ainda sofrerão outras operações, tais como corte, estampagem, usinagem ou forjamento, antes de seu uso final.

• Como resultado disso, obtém-se uma das importantes características do produto extrudado: seção transversal reduzida e grande comprimento. • O processo de extrusão: consiste basicamente em forçar a passagem de um bloco de metal através do orifício de uma matriz. Isso é conseguido aplicando-se altas pressões ao material com o auxílio de um êmbolo.

• • Trata-se de um processo de fabricação relativamente novo, se comparado com a maioria dos outros processos de conformação mecânica.

• As primeiras experiências com extrusão foram feitas com chumbo no final do século passado.

• O maior avanço aconteceu durante a Segunda Guerra Mundial, com a produção de grandes quantidades de perfis de alumínio para serem usados na indústria aeronáutica. • Atualmente, não só metais mais dúcteis, como o alumínio e suas ligas e o cobre e suas ligas, podem passar pelo processo de extrusão.

• Também é possível fabricar produtos de aço ao carbono e aço inoxidável por meio de extrusão. Produtos de plástico, principalmente embalagens, também são fabricados por extrusão.

No que se refere ao uso do alumínio, as variedades de perfis que se pode fabricar é quase ilimitada.

• As seções obtidas são mais resistentes porque não apresentam juntas frágeis e há melhor distribuição do metal. O processo fornece, também, uma boa aparência para as superfícies. Etapas do processo de Extrusão

De acordo com o tipo de metal, que deve suportar rigorosas condições de atrito e

temperatura, e com a secção a ser obtida, a extrusão pode ser realizada a quente ou a frio. O metais mais duros, como o aço, passam normalmente pelo processo de extrusão a quente. Esse processo envolve as seguintes etapas:

1. Fabricação de lingote ou tarugo de secção circular.

2. Aquecimento uniforme do lingote ou pregos.

3. Transporte do lingote ou tarugo aquecido para a câmara de extrusão. Essa etapa deve ser executada o mais rapidamente possível para diminuir a oxidação na superfície do metal aquecido.

4. Execução da extrusão: com o tarugo aquecido apoiado diante da câmara de extrusão, o pistão é acionado e o material é empurrado para o interior da câmara.

5. Fim da extrusão: o pistão recua e a câmara se afasta para a retirada do disco e da parte restante do prego.

6. Remoção dos resíduos de óxido com o auxílio de disco raspador acionado pelo pistão • Lingote: é o bloco de metal produzido por fundição.

Tarugo: é o bloco de metal obtido pela laminação de um lingote. Considerando-se que o trabalho a quente traz problemas de oxidação do bloco de metal e das ferramentas de extrusão, a temperatura de trabalho deve ser a mínima necessária para fornecer ao metal o grau de plasticidade adequado.

Devido à intensa deformação produzida durante a extrusão, pode ocorrer um sensível aquecimento do metal. Portanto, a temperatura máxima do processo deve ser seguramente inferior à temperatura de liquação, ou seja, aquela em que acontece a fusão do contorno dos grãos. Saiba que se a temperatura de extrusão ficar muito próxima à de liquação, o aquecimento produzido pelo atrito e pela compressão da matriz, poderá atingir a temperatura de fusão e impedir a fabricação do produto por extrusão.

Deve-se lembrar, também, de que a temperatura do material na zona de deformação

depende da velocidade de deformação e do grau de compressão. Isso significa que a temperatura aumenta quando aumentam a velocidade e a deformação, por causa do aumento do atrito devido ao aumento da velocidade de deformação e do grau de compressão.

Na extrusão a quente, as reduções de área conseguidas são da ordem de 1:20 (um para vinte). Isso significa que, se você tiver uma barra de 100 mm2 de área, ela pode ter sua área reduzida para 5 mm2.

Os materiais mais dúcteis, como o alumínio, podem passar por extrusão tanto a frio quanto a quente e obtêm reduções de área da ordem de 1:100 (um para cem).

Na extrusão a frio, o material endurece por encruamento durante a deformação porque os grãos do metal se quebram e assim permanecem, aumentando as tensões na estrutura e, conseqüentemente, sua dureza. Na extrusão a quente, os grãos se reconstituem após a extrusão por causa da alta temperatura Tipos de processos de extrusão

• A extrusão pode ser realizada de duas maneiras básicas: directa ou indiretamente. Na extrusão directa o bloco metálico a ser processado é colocado em uma câmara ou cilindro, e empurrado contra uma matriz através de um pistão, acionado por meios mecânicos ou hidráulicos.

• • Para proteger o pistão da alta temperatura e da abrasão resultantes do processo de extrusão direta, emprega-se um bloco de aço, chamado de falso pistão entre o material metálico e o êmbolo.

• Usa-se também um pedaço de grafite entre o metal e o pistão a fim de assegurar que todo o material metálico passe pela matriz.

• Nesse processo, a deformação ocorre na matriz, enquanto que o resto do material é contido pelas paredes do cilindro.

• Desse modo, não se produz nenhuma instabilidade no material. Isso torna possível alcançar elevadas reduções (até 99%) no material processado. • Na extrusão indireta, o êmbolo é oco e está ligado à matriz. A extremidade oposta da câmara é fechada com uma placa. O êmbolo oco empurra a matriz de encontro ao metal e este sai da matriz em sentido contrário ao movimento da haste.

• • Como não há movimento relativo entre o bloco de metal e as paredes da câmara, as forças de atrito são muito menores e as pressões necessárias são também menores do que na extrusão direta.

• Por outro lado, como o êmbolo é furado, as cargas a serem utilizadas são limitadas e não é possível obter perfis com formatos complexos. Por isso, o processo de extrusão direta é o mais empregado.

Os equipamentos usados na extrusão consistem em prensas horizontais, mecânicas ou hidráulicas, com capacidades normais entre 1 500 e 5 mil toneladas. Prensas hidráulicas conseguem cargas de até 30 mil toneladas!

Além dessas prensas, são necessários equipamentos auxiliares para a realização do processo. Eles incluem fornos para aquecimento dos tarugos, fornos de tratamento térmico, além de equipamentos para transporte e corte dos perfis. Defeitos da extrusão

• Existem vários defeitos típicos dos processos de extrusão. Por exemplo: no processo de extrusão, a deformação não é uniforme.

Por isso, o centro do tarugo move-se mais rapidamente que a periferia, e forma-se uma “zona morta” ao longo da superfície externa do tarugo. Quando a maior parte do bloco de metal já passou pela matriz, a superfície externa move-se para o centro e começa a fluir pela matriz. Como essa superfície externa contém uma película de óxido, aparecem linhas internas de óxido no interior do produto.

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